CN111371118A - 一种电力系统发电结构优化与任务分配的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统优化领域，具体公开了一种电力系统发电结构优化与任务分配方法及系统。方法包括以下步骤：运用生命周期评估方法，对发电过程中相关的虚拟水耗量和碳排放量进行分析；获得不同发电类型的相关虚拟水系数和碳排放系数；计算每个省份具体的水压力指标值，对各省的水危机等级进行划分；在现有条件下，通过发电结构与发电任务的调整与调配，最大程度地从电力系统缓解地区水压力，和减少发电相关碳排放；将目标转换为数学表达式，构建多目标优化模型；获得各省份不同发电形式的优化发电量，及其对应虚拟水耗与碳排放量。本发明考虑实际装机容量，各发电设备利用小时数和电力传输水平，在已有条件下使电力生产与规划更环保和优化。

Description

一种电力系统发电结构优化与任务分配的方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统优化和环境水-能-碳耦合领域，更具体地，涉及一种电力系统发电结构优化与任务分配方法及系统。

背景技术

在我国，缺水问题突出，水危机具体体现在水资源总量大而人均占有量却不足世界平均水平的四分之一。水的生产和利用过程，从获取、处理、输送到消费侧和废水处理等各个环节涉及的机械运转都需要电力的驱动。电力部门是仅此于农业部门的第二大用水部门，全国总用水量的14％来自于电力部门。无论是火电还是核电，在冷却、产生蒸汽推动汽轮机等环节以及从生产到输送和消费侧的过程中都需要用到大量的水资源。电力部门是水密集型的，因此，它是缓解地区水压力的一个重要的突破口。虚拟水在解决水资源危机的问题上发挥着重要作用。基于虚拟水理论，对电力系统的水消耗进行优化，可以为电力系统的可持续发展提供新的思考角度与决策参考。此外，二氧化碳是全球气候变暖的主要温室气体之一，如何应对气候变化成为了全人类社会的重大挑战，从各方努力探索控制二氧化碳排放已经成为国际共识。电力部门是碳排放的主要来源之一。电力行业的碳减排涉及发电、输电、变电、配电和用电等环节。电能属于清洁、高效的二次能源，在使用过程中的碳排放较小，相比之下，发电环节是主要的碳排放来源。煤炭一直在我国能源消费系统中占主导作用，为积极地应对气候变化，我国政府签署了《巴黎协定》，计划在2030年左右达到碳排放最大值。为此，电力部门作为我国碳排放的主要来源部门，针对电力部门的碳减排措施是必要的。

许多研究已根据虚拟水理论核算了电力部门中的隐含虚拟水量，包括多种能源发电类型对应的单位虚拟水耗量，以及在电力贸易背后传输的虚拟水量。同时，一些学者也核算了不同能源类型下发电的碳排放量。通过对电力相关虚拟水与碳排放的核算，可以清晰表征水-电或碳-电的耦合关系，从而以电力部门为切入点，缓解水压力和减少碳排放。但是，大多数研究只单独考虑了水电耦合或碳电耦合，对于同时存在水、碳问题的电力系统而言是不够全面的。因此需要通过水-电-碳耦合，来完整地对电力系统进行优化与评估。可再生能源大规模应用带来的诸如可靠性和经济性等的问题仍有待解决。在规划低碳电力系统时，应全面地考虑整个系统因素，除了技术限制之外，还需要均衡考虑各方面的发展，如政策、监管和市场机制。向可再生能发电完全转型不可一蹴而就，在转型的同时，对已有电力系统的优化能促进电力系统的可持续发展，是十分必要的。

发明内容

本发明提出了一种电力系统发电结构优化与任务分配方法及系统，从而克服电力部门中只单独考虑了水电耦合或碳电耦合，针对同时存在水、碳问题的电力系统而言不够全面的缺陷。

为达到上述目的，一方面，本发明提供了一种电力系统发电结构优化与任务分配方法，包括以下步骤：

S1，对电力生产过程中的投入产出分析及生命周期分析，获取各种发电技术产生的虚拟水耗量与碳排放量；

S2，根据各种发电技术产生所述碳排放量与虚拟水耗量分别获取各种发电技术的虚拟水系数和碳排放系数；

S3，获取各省份的水压力指标值，根据所述水压力指标值划分各省的水危机等级；

S4，基于各省份的各种发电技术的虚拟水系数、碳排放系数和水压力指标值，利用小时数和电力传输容量对各省份发电方式的装机容量进行约束，建立对各省份发电结构与发电任务进行调整与调配的多目标优化模型；

S5，求解所述多目标模型，获取各省份不同发电技术的优化发电量、碳排放量与虚拟水耗量。

优选的，上述技术方案中，所述步骤S1中对电力生产过程中的投入与产生分析及生命周期分析，获取各种发电技术产生的碳排放量/水耗的数学表达式为：

k＝(I+S+S·S+S·S·S+...)d＝[(I-S)^-1]d

其中，k是生产链中所有部门的总输出向量，S是直接消耗系数矩阵，S·d是部门的直接产出，S·S·...S·d是部门的间接产出，d是最终需求向量，I是标准矩阵；

电力行业的总碳排放/耗水矩阵可以表示为：

h＝Rk＝R(I-S)^-1d

其中，R是碳排放/耗水矩阵，其对角线值是每个子部门的单位产出值的排放量；

通过将基于过程和基于投入产出的生命周期方法集成在混合生命周期方法框架中，各种发电技术产生的碳排放/消耗的水量可表示为：

其中，V是直接碳排放/直接耗水系数，N是一个技术矩阵，表示研究对象在生命周期各个阶段的投入和产出，J是从宏观经济系统到分析对象所在的微观系统的投入；M是研究对象所在的微观系统到宏观经济系统的投入；u是外部需求向量。

优选的，上述技术方案中，所述步骤S2中各种发电技术的虚拟水系数和碳排放系数包括火电、水电、风电、核电和光伏发电的相关虚拟水系数和碳排放系数，具体的数学表达式为：

其中，B_wc,e是发电方式e产生的虚拟水耗量，B_ce,e是发电方式e产生的碳排放量，G_e是发电方式e对应的发电量。

优选的，上述技术方案中，所述步骤S3中计算了省份具体的水压力指标值，具体的数学逻辑式为：

其中，WTA代表可取水率，无量纲，值为0.01-1。

优选的，上述技术方案中，所述发电结构与发电任务进行调整与调配具体方法为：结合虚拟水理论，结合水压力指标值的将虚拟水进一步扩展为虚拟稀缺水，目标之一是缓解地区水压力，使发电相关的虚拟稀缺水耗量最小；另一个目标是减少发电相关碳排放，在可行范围内加大对可再生能源的利用，在满足电力需求的前提下，使总碳排放最小。

优选的，上述技术方案中，所述步骤S4中的多目标优化模型的数学表达式分别为：

式中，WSI_p是每个省份对应的水压力指数值，w_e和c_e分别是发电相关虚拟水系数和碳排放系数，

是每个省份对应各种不同发电类型的发电量。

为达到上述目的，另一方面，本发明提供了一种电力系统发电结构优化与任务分配系统，具体包括：

消耗排放获取模块，用于对电力生产过程中的投入产出分析及生命周期分析以获取各种发电技术产生的虚拟水耗量与碳排放量；

系数获取模块，用于根据各种发电技术产生所述碳排放量与虚拟水耗量分别获取各种发电技术的虚拟水系数和碳排放系数；

水压力获取模块，用于获取各省份的水压力指标值，根据所述水压力指标值划分各省的水危机等级；

优化模型建立模块，用于基于各省份的各种发电技术的虚拟水系数、碳排放系数和水压力指标值，利用小时数和电力传输容量对各省份发电方式的装机容量进行约束，建立对各省份发电结构与发电任务进行调整与调配的多目标优化模型；

优化求解模块，用于求解所述多目标模型，获取各省份不同发电技术的优化发电量、碳排放量与虚拟水耗量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明运用混合生命周期法对各种主要发电形式的耗水及相关碳排放进行核算，得到对应的发电水强度与碳强度。使用了虚拟水的概念，并对每个省份设置了相应的水压力指标，更清晰地反映了地区缺水情况。创立多目标优化模型，考虑实际装机容量，各发电设备利用小时数和电力传输水平，在已有条件下使电力生产与规划更环保和优化，调节各省份发电任务分配，通过考虑水-电-碳耦合及运用多目标优化方法，对电力系统的水消耗进行优化，以达到从现有的电力系统缓解地区水压力和减少碳排放的目的，为电力系统的可持续发展规划提供参考建议。

基于细粒度更高的数据，本发明将电力系统发电侧优化与评估从一般的国家层面精确到省份或所属电网层面，为缓解地区水压力与减少碳排放的电力系统规划提供参考。另外，为积极地应对气候变化，针对电力部门的碳减排措施是必要的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的多目标优化模型求解流程图。

图2为本发明实施例电力系统发电结构优化与任务分配系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本实施例基于可获得的全国2015年各省的电力数据，其中，基于虚拟水理论与碳排放影响分析的电力系统发电结构优化与任务分配方法，包括以下步骤：

步骤S1，对电力生产过程中的投入产出分析及生命周期分析，获取各种发电技术产生的虚拟水耗量与碳排放量。具体而言，运用生命周期评估方法，考虑电力生产过程中的主要投入和产出，对发电过程中相关的虚拟水和碳排放进行量化。

步骤S2，根据各种发电技术产生碳排放量与虚拟水耗量分别获取各种发电技术的虚拟水系数和碳排放系数，具体包括火电、水电、风电、核电和光伏发电的相关虚拟水系数和碳排放系数。

步骤S3，计算每个省份具体的水压力指标值，根据水压力指标值对各省的水危机等级进行划分。

步骤S4，在现有条件下，基于各省份的各种发电技术的虚拟水系数、碳排放系数和水压力指标值，利用小时数和电力传输容量对各省份发电方式的装机容量进行约束，建立对各省份发电结构与发电任务进行调整与调配，主要目标为最大程度地从电力系统缓解地区水压力，和减少发电相关碳排放，将约束条件和目标转换为数学表达式，构建多目标优化模型。

具体而言，发电结构与任务分配的方法为：考虑到水资源空间分布不均衡的情况，引入一个量化地区水压力的指标，结合虚拟水理论，将考虑水压力指标的虚拟水进一步扩展为虚拟稀缺水，此方法的目标之一是缓解地区水压力，发电相关的虚拟稀缺水耗量最小。

另一个目标是减少发电相关碳排放，在可行范围内尽可能加大对可再生能源的利用，在满足电力需求的前提下，总碳排放最小。使用数据精确到省级，最终可求得五种发电形式的最优结构，各省应分配的不同发电形式的发电量，及其优化后的碳排放量和虚拟水耗量。

步骤S5，通过求解多目标优化模型，获得各省份不同发电形式的优化发电量，及其对应虚拟水耗量与碳排放量作为后续决策参考。

该实施例中，步骤S1中的生命周期分析结合了基于过程与投入产出的生命周期法的优势，运用混合生命周期法核算电力生产相关虚拟水耗量与碳排放量；混合生命周期法计算碳排放/水耗的数学表达式为：

k＝(I+S+S·S+S·S·S+...)d＝[(I-S)^-1]d；

其中，k是生产链中所有部门的总输出向量，S是直接消耗系数矩阵，S·d是部门的直接产出，S·S·...S·d是部门的间接产出，d是最终需求向量。

电力行业的总碳排放/耗水矩阵可以表示为：

h＝Rk＝R(I-S)^-1d；

其中，R是碳排放/耗水矩阵，其对角线值是每个子部门的单位产出值的排放量/耗水量。

通过将基于过程和基于投入产出的生命周期方法集成在混合生命周期方法框架中，各种发电技术产生的碳排放/消耗的水量可表示为：

其中，V是直接碳排放/直接耗水系数，N是一个技术矩阵，表示研究对象在生命周期各个阶段的投入和产出，J是从宏观经济系统到分析对象所在的微观系统的投入；M是研究对象所在的微观系统向宏观经济系统的投入；u是外部需求向量。

该实施例中，步骤S2中考虑了五种发电类型，即火电、水电、风电、核电和光伏发电的相关虚拟水系数和碳排放系数；根据混合生命周期方法计算出的结果，推导的数学表达式为：

其中，B_wc,e是发电方式e产生的虚拟水耗量，B_ce,e是发电方式e产生的碳排放，G_e是发电方式e对应的发电量。

步骤S3中计算了省份具体的水压力指标值，对水危机程度进行划分，推导的数学逻辑式为：

式中，WTA代表可取水率，无量纲，值为0.01-1。

通过计算得到的水压力指标值，将30个省份(包括22个省、4个直辖市和4个自治区，由于西藏自治区电网是独立的且发电量相对较低，未对该地区进行分析)分成四类，分别是极缺水，缺水，丰水和极丰水，如下表1所示：

表1各省水压力指标分类

该实施例中，步骤S4中的优化模型数学表达式分别为：

式中，WSI_p是每个省份对应的水压力指数，w_e和c_e分别是步骤(2)中得到的发电相关虚拟水耗和碳排放系数，

是每个省份对应五种不同发电类型的发电量。

该实施例中，步骤S5中解决多目标优化模型使用加权求和法，将两个目标函数通过权重系数整合成一个目标函数，即表达式为：

minF＝r₁W+r₂C；

式中，r₁和r₂为两个权重系数，它们的相加总和为1，当同时考虑缓解水压力和减小碳排放，并认为两个目标同等重要是，考虑这两个权重系数相等。

通过Matlab函数求解，得到对应的省级各发电类型优化发电量，虚拟水耗量与碳排放量。结果表明，以2015年的发电情况为例，北京、天津、上海、山西、河北、山东、宁夏、新疆、江苏、甘肃、陕西、青海、内蒙古、河南和辽宁的发电任务应减少，同时为了满足电力需求，浙江、福建、吉林、黑龙江、广东、四川、广西、海南、湖南、安徽、江西、湖北、云南、重庆和贵州的发电量应增长。总的来说，部分发电任务应从一些缺水地区转移到较丰水地区，以达到缓解地区水力的目的。从发电结构上看，除火电比例应减少外，其他能源发电(水电、风电、核电和光电)比例伴随着不同程度的增加，有助于在现有装机容量及利用允许的条件下，实现发电相关碳排放的减少。在这五种发电形式中，火电的碳排放系数最大，其次为光电、水电、风电和核电；水电的耗水系数最大，其次为核电、火电、光电和风电。

另外，如图2所示，该实施例还公开了一种电力系统发电结构优化与任务分配系统，具体包括：

消耗排放获取模块，用于对电力生产过程中的投入与产生分析和生命周期分析以获取各种发电技术产生的虚拟水耗量与碳排放量；

系数获取模块，用于根据各种发电技术产生所述碳排放量与虚拟水耗量分别获取各种发电技术的虚拟水系数和碳排放系数；

水压力获取模块，用于获取各省份的水压力指标值，根据所述水压力指标值划分各省的水危机等级；

优化模型建立模块，用于基于各省份的各种发电技术的虚拟水系数、碳排放系数和水压力指标值，利用小时数和电力传输容量对各省份发电方式的装机容量进行约束，建立对各省份发电结构与发电任务进行调整与调配的多目标优化模型；

优化求解模块，用于求解所述多目标模型，获取各省份不同发电技术的优化发电量、碳排放量与虚拟水耗量。

该实施例中，消耗排放获取模块中对电力生产过程中的投入产出分析及生命周期分析以获取各种发电技术产生的碳排放量/水耗的数学表达式为：

k＝(I+S+S·S+S·S·S+...)d＝[(I-S)^-1]d

其中，k是生产链中所有部门的总输出向量，S是直接消耗系数矩阵，S·d是部门的直接产出，S·S·...S·d是部门的间接产出，d是最终需求向量，I是标准矩阵；

电力行业的总碳排放/耗水矩阵可以表示为：

h＝Rk＝R(I-S)^-1d

其中，R是碳排放/耗水矩阵，其对角线值是每个子部门的单位产出值的排放量；

通过将基于过程和基于投入产出的生命周期方法集成在混合生命周期方法框架中，各种发电技术产生的碳排放/消耗的水量可表示为：

其中，V是直接碳排放/直接耗水系数，N是一个技术矩阵，表示研究对象在生命周期各个阶段的投入和产出，J是从宏观经济系统到分析对象所在的微观系统的投入；M是研究对象所在的微观系统到宏观经济系统的投入；u是外部需求向量。

该实施例中，系数获取模块中各种发电技术的虚拟水系数和碳排放系数包括火电、水电、风电、核电和光伏发电的相关虚拟水系数和碳排放系数，具体的数学表达式为：

其中，B_wc,e是发电方式e产生的虚拟水耗量，B_ce,e是发电方式e产生的碳排放量，G_e是发电方式e对应的发电量；

所述水压力获取模块中计算了省份具体的水压力指标值，具体的数学逻辑式为：

其中，WTA代表可取水率，无量纲，值为0.01-1。

该实施例中，优化模型建立模块中的多目标优化模型的数学表达式分别为：

式中，WSI_p是每个省份对应的水压力指数值，w_e和c_e分别是发电相关虚拟水系数和碳排放系数，

是每个省份对应各种不同发电类型的发电量。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力系统发电结构优化与任务分配方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，对电力生产过程中的投入产出分析及生命周期分析，获取各种发电技术产生的虚拟水耗量与碳排放量；

S2，根据各种发电技术产生所述碳排放量与虚拟水耗量分别获取各种发电技术的虚拟水系数和碳排放系数；

S3，获取各省份的水压力指标值，根据所述水压力指标值划分各省的水危机等级；

S4，基于各省份的各种发电技术的虚拟水系数、碳排放系数和水压力指标值，利用小时数和电力传输容量对各省份发电方式的装机容量进行约束，建立对各省份发电结构与发电任务进行调整与调配的多目标优化模型；

S5，求解所述多目标模型，获取各省份不同发电技术的优化发电量、碳排放量与虚拟水耗量。

2.根据权利要求1所述的电力系统发电结构优化与任务分配方法，其特征在于：所述步骤S1中对电力生产过程中的投入产出分析及生命周期分析，获取各种发电技术产生的碳排放量/水耗的数学表达式为：

k＝(I+S+S·S+S·S·S+...)d＝[(I-S)^-1]d

其中，k是生产链中所有部门的总输出向量，S是直接消耗系数矩阵，S·d是部门的直接产出，S·S·...S·d是部门的间接产出，d是最终需求向量，I是标准矩阵；

电力行业的总碳排放/耗水矩阵可以表示为：

h＝Rk＝R(I-S)^-1d；

其中，R是碳排放/耗水矩阵，其对角线值是每个子部门的单位产出值的排放量/耗水量。

通过将基于过程和基于投入产出的生命周期方法集成在混合生命周期方法框架中，各种发电技术产生的碳排放/消耗的水量可表示为：

其中，V是直接碳排放/直接耗水系数，N是一个技术矩阵，表示研究对象在生命周期各个阶段的投入和产出，J是从宏观经济系统到分析对象所在的微观系统的投入；M是研究对象所在的微观系统向宏观经济系统的投入；u是外部需求向量。

3.根据权利要求1所述的电力系统发电结构优化与任务分配方法，其特征在于：所述步骤S2中各种发电技术的虚拟水系数和碳排放系数包括火电、水电、风电、核电和光伏发电的相关虚拟水系数和碳排放系数，具体的数学表达式为：

其中，B_wc,e是发电方式e产生的虚拟水耗量，B_ce,e是发电方式e产生的碳排放量，G_e是发电方式e对应的发电量。

4.根据权利要求1所述的电力系统发电结构优化与任务分配方法，其特征在于：所述步骤S3中计算了省份具体的水压力指标值，具体的数学逻辑式为：

其中，WTA代表可取水率，无量纲，值为0.01-1。

5.根据权利要求1所述的电力系统发电结构优化与任务分配方法，其特征在于：所述发电结构与发电任务进行调整与调配具体方法为：结合虚拟水理论，结合水压力指标值的将虚拟水进一步扩展为虚拟稀缺水，目标之一是缓解地区水压力，使发电相关的虚拟稀缺水耗量最小；另一个目标是减少发电相关碳排放，在可行范围内加大对可再生能源的利用，在满足电力需求的前提下，使总碳排放最小。

6.根据权利要求1所述的电力系统发电结构优化与任务分配方法，其特征在于：所述步骤S4中的多目标优化模型的数学表达式分别为：

式中，WSI_p是每个省份对应的水压力指数值，w_e和c_e分别是发电相关虚拟水系数和碳排放系数，

是每个省份对应各种不同发电类型的发电量。

7.一种电力系统发电结构优化与任务分配系统，其特征在于：具体包括：

消耗排放获取模块，用于对电力生产过程中的投入产出分析及生命周期分析以获取各种发电技术产生的虚拟水耗量与碳排放量；

系数获取模块，用于根据各种发电技术产生所述碳排放量与虚拟水耗量分别获取各种发电技术的虚拟水系数和碳排放系数；

水压力获取模块，用于获取各省份的水压力指标值，根据所述水压力指标值划分各省的水危机等级；

优化模型建立模块，用于基于各省份的各种发电技术的虚拟水系数、碳排放系数和水压力指标值，利用小时数和电力传输容量对各省份发电方式的装机容量进行约束，建立对各省份发电结构与发电任务进行调整与调配的多目标优化模型；

优化求解模块，用于求解所述多目标模型，获取各省份不同发电技术的优化发电量、碳排放量与虚拟水耗量。

8.根据权利要求7所述的电力系统发电结构优化与任务分配系统，其特征在于：所述消耗排放获取模块中对电力生产过程中的投入与产生分析及生命周期分析以获取各种发电技术产生的碳排放量/水耗的数学表达式为：

k＝(I+S+S·S+S·S·S+...)d＝[(I-S)^-1]d

其中，k是生产链中所有部门的总输出向量，S是直接消耗系数矩阵，S·d是部门的直接产出，S·S·...S·d是部门的间接产出，d是最终需求向量，I是标准矩阵；

电力行业的总碳排放/耗水矩阵可以表示为：

h＝Rk＝R(I-S)^-1d；

其中，R是碳排放/耗水矩阵，其对角线值是每个子部门的单位产出值的排放量/耗水量。

通过将基于过程和基于投入产出的生命周期方法集成在混合生命周期方法框架中，各种发电技术产生的碳排放/消耗的水量可表示为：

其中，V是直接碳排放/直接耗水系数，N是一个技术矩阵，表示研究对象在生命周期各个阶段的投入和产出，J是从宏观经济系统到分析对象所在的微观系统的投入；M是研究对象所在的微观系统向宏观经济系统的投入；u是外部需求向量。

9.根据权利要求7所述的电力系统发电结构优化与任务分配系统，其特征在于：所述系数获取模块中各种发电技术的虚拟水系数和碳排放系数包括火电、水电、风电、核电和光伏发电的相关虚拟水系数和碳排放系数，具体的数学表达式为：

其中，B_wc,e是发电方式e产生的虚拟水耗量，B_ce,e是发电方式e产生的碳排放量，G_e是发电方式e对应的发电量；

所述水压力获取模块中计算了省份具体的水压力指标值，具体的数学逻辑式为：

其中，WTA代表可取水率，无量纲，值为0.01-1。

10.根据权利要求7所述的电力系统发电结构优化与任务分配系统，其特征在于：所述优化模型建立模块中的多目标优化模型的数学表达式分别为：

式中，WSI_p是每个省份对应的水压力指数值，w_e和c_e分别是发电相关虚拟水系数和碳排放系数，

是每个省份对应各种不同发电类型的发电量。

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